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1、(10)申请公布号 CN 103869833 A (43)申请公布日 2014.06.18 CN 103869833 A (21)申请号 201410128646.8 (22)申请日 2014.04.01 G05D 3/12(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 92 号 (72)发明人 刘杨 李宗哲 付振宪 陈兴林 周乃新 强盛 李欣 马晔 陈震宇 王伟峰 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人 张宏威 (54) 发明名称 基于非正交结构的三轴气浮台质心调节方法 (57) 摘要 基于非正交结构。
2、的三轴气浮台质心调节方 法， 涉及地面全物理仿真领域。 它是为了解决现有 调节三轴气浮台质心需要人工调平， 浪费时间， 三 轴气浮台质心调节精度低的问题。本发明实现将 三轴气浮台质心调整到与其旋转中心重合的位置 上， 使实验台具有很高的平衡精度的目的， 其三维 质心调节系统的定位精度优于 10um， 满足实验台 在地面进行姿态仿真时的使用要求 ； 大大减少了 质心调节的时间， 不需要人工操作， 调节时间同比 节约了一倍以上。本发明适用于地面全物理仿真 领域。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权。
3、利要求书2页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103869833 A CN 103869833 A 1/2 页 2 1. 基于非正交结构的三轴气浮台质心调节方法， 其特征在于 ： 该方法是基于非正交结 构的三轴气浮台质心调节装置实现的， 基于非正交结构的三轴气浮台质心调节装置包括电 机驱动器 （1） 、 电机、 线型模组和装配体支撑板 ； 线型模组包括基座 （2） 、 丝杠 （3） 、 承载台 （4） 和滑块 （5） ； 线型模组的基座 （2） 固定于装配体支撑板的上表面 ； 丝杠 （3） 的两端分别通过一个轴承固定在基座 （2） 的上表面上， 且所述丝杠 （3） 的一端 与驱。
4、动电机的驱动输出轴同轴连接， 该驱动电机的驱动信号输端连接电机驱动器 （1） 的驱 动信号输出端 ； 丝杠 （3） 的中部设置有滑块 （5） ， 该滑块 （5） 与丝杠 （3） 螺纹连接， 该滑块 （5） 的上表面 与承载台 （4） 固定连接 ； 该方法通过以下步骤实现， 所述步骤包括 ： 步骤一 ： 在三轴气浮台上安装三个质心调节装置， 三个质心调节装置均通过装配体支 撑板固定在三轴气浮台上平台的下面， 并且三个质心调节装置以三轴气浮台的中心轴线为 中心沿圆周方向均匀分布， 且每个质心调节装置的装配体支撑板与上平台所在平面呈 30 度倾角， 每个线性模组中承载台 （4） 的上表面固定有一个质。
5、量块， 通过控制每个质心调节装 置的电机控制器， 驱动电机， 进而控制丝杠 （3） 带动承载台 （4） ， 移动承载台 （4） 上的质量 块 ； 步骤二 ： 设每个线性模组上质量块移动的距离分别是 ： r1， r2， r3， 所述质量块的 质量均为 m ； 质量块移动距离和该质心调节的质心变化量之间的关系为 ： 其中 x 为 X 轴方向上的质心变化量， y 为 Y 轴方向上的质心变化量， z 为 Z 轴方 向上的质心变化量 ； 步骤三 ： 根据步骤二所得的质量块移动距离和该质心调节的质心变化量之间的关系得 到质量块质心变化量 三轴气浮台质心的位置表示 ： 其中 mk(k=1,2,3） 表示第 。
6、k 个质量块的质量， 且 mk与 m 的数值相等， M 表示三轴气浮台 的总质量， r0k表示第 k 个质量块的初始质心位置， r 表示系统质心位置， r0表示除去质量块 权 利 要 求 书 CN 103869833 A 2 2/2 页 3 的系统质心位置 ； 步骤四 ： 根据步骤三所得的三轴气浮台质心的位置， 每个质量块分别移动 r1， r2， r3时， 除去质量块的三轴气浮台质心位置在调节三轴气浮台的质心的过程中是不变的， 得到 ： 得到三轴气浮台质心变化量 ： 其中 rk表示质量块在 X 轴、 Y 轴和 Z 轴上的移动距离 ； 步骤五 ： 根据步骤四所得的三轴气浮台质心变化量， 三轴气浮。
7、台质心位置 r， 使得三轴 气浮台质心变化量 r 与三轴气浮台质心位置 r 关系为 ： r+ r=0 ； 根据上述公式得到 ： 最后得到 ： 上述公式表示矩阵形式， 得到质量块位置变化量和三轴气浮台质心变化量的关系 : 步骤六 ： 根据步骤五得到的质量块位置变化量和三轴气浮台质心变化量的关系， 调整 每个质量块在丝杠 （3） 上的位置， 完成对三轴气浮台质心的调整。 权 利 要 求 书 CN 103869833 A 3 1/5 页 4 基于非正交结构的三轴气浮台质心调节方法 技术领域 0001 本发明涉及地面全物理仿真领域。 背景技术 0002 随着人们对外太空的探索， 将研制的卫星置于气浮仿。
8、真平台进行仿真测试， 以此 降低研究成本， 提高卫星执行任务的成功率， 已经成为研制发射卫星的必要步骤。 三轴仿真 平台主要用于模拟飞行器等设备在某种环境下的姿态运动。控制技术和计算机技术的发 展， 以及新型材料的开发运用， 使得仿真平台体积变小， 刚度加大， 承载能力更高。 此外科学 技术的进步还使得仿真平台的控制精度以及位资精度都有了极大的提高。因此， 三轴气浮 台将不再仅限于空间飞行器的实验模拟， 也逐渐适用于其他各种方向， 如航海时的模拟训 练以及某些高精度， 高成本的实验设备在投入使用之前的仿真测试。 0003 在气浮台中工作台是气浮台的本体， 它用来安装姿态控制系统的测试部件。由于。
9、 卫星在空间飞行时所须的驱动力矩很小， 所以在进行地面模拟试验时， 必须将干扰力矩控 制到很小的数值。当各项干扰力矩控制到规定数值后， 工作台便可浮在球轴承上在任意姿 态角达随迁平衡， 以实现稳定， 此时卫星就像漂浮在空间飞行轨道上一样， 再通过遥测、 遥 控装置， 姿控系统就可在模拟台上进行各种试验了。 传统人工调平费时费力， 且往往达不到 良好的调节效果。 通过此调平机构， 使旋转中心与整体质心重合， 研制出的工作台具有很高 的平衡精度， 以满足地面仿真实验的使用要求。 发明内容 0004 本发明是为了解决现有调节三轴气浮台质心需要人工调平， 浪费时间， 三轴气浮 台质心调节精度低的问题，。
10、 进而提供了基于非正交结构的三轴气浮台质心调节方法。 0005 基于非正交结构的三轴气浮台质心调节方法， 该方法是基于非正交结构的三轴气 浮台质心调节装置实现的， 基于非正交结构的三轴气浮台质心调节装置包括电机驱动器 1、 电机、 线型模组和装配体支撑板 ； 0006 线型模组包括基座 2、 丝杠 3、 承载台 4 和滑块 5 ； 0007 线型模组的基座 2 固定于装配体支撑板的上表面 ； 0008 丝杠 3 的两端分别通过一个轴承固定在基座 2 的上表面上， 且所述丝杠 3 的一端 与驱动电机的驱动输出轴同轴连接， 该驱动电机的驱动信号输端连接电机驱动器 1 的驱动 信号输出端 ； 000。
11、9 丝杠 3 的中部设置有滑块 5， 该滑块 5 与丝杠 3 螺纹连接， 该滑块 5 的上表面与承 载台 4 固定连接 ； 0010 该方法通过以下步骤实现， 所述步骤包括 ： 0011 步骤一 ： 在三轴气浮台上安装三个质心调节装置， 三个质心调节装置均通过装配 体支撑板固定在三轴气浮台上平台的下面， 并且三个质心调节装置以三轴气浮台的中心轴 线为中心沿圆周方向均匀分布， 且每个质心调节装置的装配体支撑板与上平台所在平面呈 说 明 书 CN 103869833 A 4 2/5 页 5 30 度倾角， 每个线性模组中承载台 4 的上表面固定有一个质量块， 通过控制每个质心调节 装置的电机控制器。
12、， 驱动电机， 进而控制丝杠 3 带动承载台 4， 移动承载台 4 上的质量块 ； 0012 步骤二 ： 设每个线性模组上质量块移动的距离分别是 ： r1， r2， r3， 所述质量 块的质量均为 m ； 质量块移动距离和该质心调节的质心变化量之间的关系为 ： 0013 0014 其中 x 为 X 轴方向上的质心变化量， y 为 Y 轴方向上的质心变化量， z 为 Z 轴方向上的质心变化量 ； 0015 步骤三 ： 根据步骤二所得的质量块移动距离和该质心调节的质心变化量之间的关 系得到质量块质心变化量 0016 三轴气浮台质心的位置表示 ： 0017 0018 其中 mk（k=1,2,3） 表。
13、示第 k 个质量块的质量， 且 mk与 m 的数值相等， M 表示三轴 气浮台的总质量， r0k表示第 k 个质量块的初始质心位置， r 表示系统质心位置， r0表示除去 质量块的系统质心位置 ； 0019 步骤四 ： 根据步骤三所得的三轴气浮台质心的位置， 每个质量块分别移动 r1， r2， r3时， 除去质量块的三轴气浮台质心位置在调节三轴气浮台的质心的过程中是不 变的， 得到 ： 0020 0021 得到三轴气浮台质心变化量 ： 0022 0023 其中 rk表示质量块在 X 轴、 Y 轴和 Z 轴上的移动距离 ； 0024 步骤五 ： 根据步骤四所得的三轴气浮台质心变化量， 三轴气浮台。
14、质心位置 r， 使得 三轴气浮台质心变化量 r 与三轴气浮台质心位置 r 关系为 ： 0025 r+ r=0 ； 0026 根据上述公式得到 ： 说 明 书 CN 103869833 A 5 3/5 页 6 0027 0028 最后得到 ： 0029 0030 上述公式表示矩阵形式， 得到质量块位置变化量和三轴气浮台质心变化量的关 系 : 0031 0032 步骤六 ： 根据步骤五得到的质量块位置变化量和三轴气浮台质心变化量的关系， 调整每个质量块在丝杠 3 上的位置， 完成对三轴气浮台质心的调整。 0033 本发明的有益效果是 ： 本发明实现将三轴气浮台质心调整到与其旋转中心重合的 位置上，。
15、 使实验台具有很高的平衡精度的目的， 其三维质心调节系统的定位精度优于 10um， 满足实验台在地面进行姿态仿真时的使用要求 ； 大大减少了质心调节的时间， 不需要人工 操作， 调节时间同比节约了一倍以上。 附图说明 0034 图 1 为基于非正交结构的三轴气浮台质心调节装置的正视剖视图 ； 0035 图 2 为基于非正交结构的三轴气浮台质心调节装置的俯视剖视图 ； 0036 图 3 为三轴气浮仿真实验平台的质心调节装置的结构图 ； 0037 图 4 为质心调节装置的结构框图 ； 0038 图 5 为质心调节装置的流程图 ； 0039 图 6 为质心调节装置姿态解算示意图。 具体实施方式 00。
16、40 具体实施方式一 ： 下面结合图1至图6说明本实施方式， 本实施方式所述的基于非 正交结构的三轴气浮台质心调节方法， 该方法是基于非正交结构的三轴气浮台质心调节装 置实现的， 基于非正交结构的三轴气浮台质心调节装置包括电机驱动器 1、 电机、 线型模组 和装配体支撑板 ； 0041 线型模组包括基座 2、 丝杠 3、 承载台 4 和滑块 5 ； 0042 线型模组的基座 2 固定于装配体支撑板的上表面 ； 0043 丝杠 3 的两端分别通过一个轴承固定在基座 2 的上表面上， 且所述丝杠 3 的一端 与驱动电机的驱动输出轴同轴连接， 该驱动电机的驱动信号输端连接电机驱动器 1 的驱动 信号。
17、输出端 ； 说 明 书 CN 103869833 A 6 4/5 页 7 0044 丝杠 3 的中部设置有滑块 5， 该滑块 5 与丝杠 3 螺纹连接， 该滑块 5 的上表面与承 载台 4 固定连接 ； 0045 该方法通过以下步骤实现， 所述步骤包括 ： 0046 步骤一 ： 在三轴气浮台上安装三个质心调节装置， 三个质心调节装置均通过装配 体支撑板固定在三轴气浮台上平台的下面， 并且三个质心调节装置以三轴气浮台的中心轴 线为中心沿圆周方向均匀分布， 且每个质心调节装置的装配体支撑板与上平台所在平面呈 30 度倾角， 每个线性模组中承载台 4 的上表面固定有一个质量块， 通过控制每个质心调节。
18、 装置的电机控制器， 驱动电机， 进而控制丝杠 3 带动承载台 4， 移动承载台 4 上的质量块 ； 0047 步骤二 ： 设每个线性模组上质量块移动的距离分别是 ： r1， r2， r3， 所述质量 块的质量均为 m ； 质量块移动距离和该质心调节的质心变化量之间的关系为 ： 0048 0049 其中 x 为 X 轴方向上的质心变化量， y 为 Y 轴方向上的质心变化量， z 为 Z 轴方向上的质心变化量 ； 0050 步骤三 ： 根据步骤二所得的质量块移动距离和该质心调节的质心变化量之间的关 系得到质量块质心变化量 0051 三轴气浮台质心的位置表示 ： 0052 0053 其中 mk（k。
19、=1,2,3） 表示第 k 个质量块的质量， 且 mk与 m 的数值相等， M 表示三轴 气浮台的总质量， r0k表示第 k 个质量块的初始质心位置， r 表示系统质心位置， r0表示除去 质量块的系统质心位置 ； 0054 步骤四 ： 根据步骤三所得的三轴气浮台质心的位置， 每个质量块分别移动 r1， r2， r3时， 除去质量块的三轴气浮台质心位置在调节三轴气浮台的质心的过程中是不 变的， 得到 ： 0055 0056 得到三轴气浮台质心变化量 ： 说 明 书 CN 103869833 A 7 5/5 页 8 0057 0058 其中 rk表示质量块在 X 轴、 Y 轴和 Z 轴上的移动距。
20、离 ； 0059 步骤五 ： 根据步骤四所得的三轴气浮台质心变化量， 三轴气浮台质心位置 r， 使得 三轴气浮台质心变化量 r 与三轴气浮台质心位置 r 关系为 ： 0060 r+ r=0 ； 0061 根据上述公式得到 ： 0062 0063 最后得到 ： 0064 0065 上述公式表示矩阵形式， 得到质量块位置变化量和三轴气浮台质心变化量的关 系 : 0066 0067 步骤六 ： 根据步骤五得到的质量块位置变化量和三轴气浮台质心变化量的关系， 调整每个质量块在丝杠 3 上的位置， 完成对三轴气浮台质心的调整。 0068 质心调节系统装配体支撑板的顶端互成 120 度的对称安装在上平台，。
21、 三套伺服电 机 1 带动丝杠 3 和安放在承载台 4 上的质量块 5 系统沿支撑板与竖直方向倾斜 30 度配置。 线性模组由基座 2， 丝杠 3， 承载台 4 和滑块 5 构成， 与水平面呈夹角 60 度放置。 0069 将小卫星等物体安置于载物平台上， 手工粗调质心， 通过在延伸板上添加重物使 平台大致稳定， 平台质心大致贴近旋转中心。 0070 上电开机后打开控制软件， 输入平台质量， 转动惯量等必要参数。 0071 开启电机开关， 点击开启质心调平程序。 0072 电机进行多步调节， 多次求解当前质心位置， 同时可在台下工控机上查看平台运 动状态。 0073 当定位精度达到要求时电机锁死， 三维质心调节过程结束。 说 明 书 CN 103869833 A 8 1/2 页 9 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103869833 A 9 2/2 页 10 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103869833 A 10 。